惠静姝教授，杨阳教授，刘忠范院士，ACS Nano观点：揭秘晶体外延生长与动力学机制内在逻辑

第一作者：赵瑾

通讯作者：惠静姝*，杨阳*，刘忠范*，

单位：苏州大学，美国威斯康星大学；北京大学，北京石墨烯研究院

电沉积是在外部电场的驱动下，电解质中的阴阳离子发生定向迁移，并于电极表面历经氧化还原反应，进而逐步形成镀层的复杂反应过程。于在锌电池体系里，枝晶问题严重阻碍其商业化发展。枝晶生长时，电极表面局部电流密度分布会不断改变，致使电池充放电极化加剧，能量损耗大幅增加。而且，枝晶尖锐部分极易刺穿电池隔膜，引发内部短路，造成电池瞬间失效，极大地延缓了锌电池的商业化进程。

沉积锌的物理化学性质极为复杂，晶体结构、表面形貌、化学组成等诸多因素相互交织，影响着锌的沉积行为。在晶体生长进程中，受多种因素综合作用，其生长规律难以精准把握。例如，不同电解质体系中，锌离子溶剂化结构有别，这会显著改变锌离子在电极表面的沉积速率与沉积位点，进而左右晶体生长方向和形态。电极表面粗糙度、杂质含量等因素，也对锌成核和生长过程影响重大，使得锌晶体生长呈现出高度随机性与复杂性，其活性亦难以有效调控。此乃当前锌电池研究领域亟待攻克的关键科学问题，是本研究的核心探索方向。

基于此，来自苏州大学的惠静姝教授与美国威斯康星大学的杨阳教授和北京大学北京石墨烯研究院刘忠范院士合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Epitaxy Orientation and Kinetics Diagnosis forZinc Electrodeposition”的观点文章。该文章提出了一种方案来阐明锌晶体的受控外延生长过程，并利用扫描电化学显微镜对其表面电化学活性进行定量。在高取向热解石墨（HOPG）衬底上，锌沉积外延呈现出堆积-多层结构，并伴有间歇性旋转现象。同时，剖析了二维水平外延多层 Zn 晶体向三维块状Zn晶体的转化过程及演化机制，晶体位点动力学与形态的相关性揭示了锌沉积早期和后期的不同演化路径。

在低晶格失配的高定向热解石墨（HOPG）基底上，锌晶体沉积呈现出一条从 2D 水平扩展多层 Zn 晶体域到 3D 块状 Zn 晶体的清晰演变路径。从最初的锌成核开始，经过 2D 六边形锌晶体的水平扩张，再到锌片的水平和垂直混合排列，最终形成 3D 块状晶体。在这个过程中，螺旋生长、堆叠和挤压等生长模式交替出现，其中螺旋生长过程中靠近成核中心出现的螺位错以及相邻晶体扩张导致的边界挤压，都可能成为后续垂直生长形成枝晶的潜在源头，这些微观结构的变化为理解锌晶体生长的复杂性提供了关键线索。

要点二：(002)晶面主导的锌晶域特征解析

通过XRD等表征手段发现，沉积锌的晶体取向以 (002) 晶面为主。借助原子力显微镜（AFM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等分析表明，锌晶体生长过程中存在层状堆叠和异质晶格取向，每一层都紧密相连又各具特点，为深入理解锌晶体结构演变提供了有力的微观证据，也为后续调控锌晶体生长提供了重要的理论依据。

要点三：外延晶体的旋转特性分析

在Zn/HOPG界面上，外延锌晶体在不同区域存在旋转角度的间歇变化。通过构建Zn和石墨烯双层模型计算相互作用能，并结合实验统计，因能量偏好，低晶格失配的HOPG表面的Zn晶体呈特定角度分布，这与沉积过程中的2D混合阶段密切相关，揭示了晶体生长过程中的精细调控机制。为进一步理解锌晶体在基底上的生长行为打开了新的窗口。

要点四：单个锌晶域电化学动力学差异分析

利用 SECM 原位研究显示，生长中的Zn域中心和边缘区域电化学活性差异显著。中心区域电子转移活性更高，这与螺旋生长引发的中心位错有关，但也使其接触电解质时更易钝化。这种活性差异对锌沉积机制影响重大，为电池性能优化开拓了新思路。

要点五：沉积后期动力学演变机制

对沉积后期的研究表明，随着沉积容量增加，锌晶体的生长取向逐渐脱离基底控制。SECM分析结果表明，从早期到后期，锌沉积动力学过程变化显著，如块状晶体表面钝化过程明显减缓，这对理解电池循环过程中阳极界面演变至关重要，有助于深入剖析电池寿命影响因素。

Epitaxy Orientation and Kinetics Diagnosis for Zinc Electrodeposition

惠静姝，苏州大学能源学院特聘副教授。2011年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，2017年获得美国伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程专业博士学位，师从Joaquín Rodríguez-López教授。2017-2020年在美国伊利诺伊大学香槟分校化学系继续从事博士后研究员工作。2021年1月加盟苏州大学能源学院，任特聘副教授。主要研究领域为新能源材料原位电化学分析，聚焦能源材料及界面处的储能-转化机理。在锌离子电池、碱金属电池及电化学催化领域积累了丰富的研究经验并取得了一定成果。截至目前共发表SCI论文40篇，包括J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Chem. Sci., Small, Small Methods, Anal. Chem.等国际著名期刊杂志。曾获江苏省双创博士和姑苏创新创业青年创新领军人才的奖励。先后主持基金共6项，其中包含国家自然科学基金项目（2项）和江苏省自然科学基金项目（1项）。目前担任苏州大学能源学院院长助理和教学实验室主任等职务。

赵瑾，苏州大学能源学院新能源科学与工程专业2021级博士研究生，导师为刘忠范院士和惠静姝副教授，主要研究方向为水系锌离子电池负极界面反应的微观机理。以第一作者在ACS Nano，Small Methods，Journal of Power Sources等杂志上发表过多篇论文，荣获苏州大学学业奖学金一等奖，苏州大学优秀研究生，“HORIBA科学奖”等多项荣誉。

课题组拟招聘博士1-2名，博士后1-2名

主要研究方向：

研究方向一：原位电化学分析

研究方向二：先进能源材料

有意向者请将个人简历等相关信息发送到邮箱：